Machine learning (ML) models can be trade secrets due to their development cost. Hence, they need protection against malicious forms of reverse engineering (e.g., in IP piracy). With a growing shift of ML to the edge devices, in part for performance and in part for privacy benefits, the models have become susceptible to the so-called physical side-channel attacks. ML being a relatively new target compared to cryptography poses the problem of side-channel analysis in a context that lacks published literature. The gap between the burgeoning edge-based ML devices and the research on adequate defenses to provide side-channel security for them thus motivates our study. Our work develops and combines different flavors of side-channel defenses for ML models in the hardware blocks. We propose and optimize the first defense based on Boolean masking. We first implement all the masked hardware blocks. We then present an adder optimization to reduce the area and latency overheads. Finally, we couple it with a shuffle-based defense. We quantify that the area-delay overhead of masking ranges from 5.4$\times$ to 4.7$\times$ depending on the adder topology used and demonstrate first-order side-channel security of millions of power traces. Additionally, the shuffle countermeasure impedes a straightforward second-order attack on our first-order masked implementation.


翻译:机器学习模式(ML)可能因其开发成本而成为贸易秘密。 因此,它们需要防范恶意的反向工程形式(例如IP盗版)。随着ML日益转向边缘装置,部分是为了性能,部分是为了隐私利益,模型已经容易受到所谓的物理侧道攻击。ML与加密相比,是一个相对较新的目标,在缺乏已出版文献的情况下造成侧道分析问题。以边缘为主的ML装置和关于为它们提供侧通道安全的适当防御研究之间的差距,从而激发了我们的研究。我们的工作为硬件区ML模型开发和结合了不同的侧道防御口味。我们提出并优化了以布林遮罩为基础的第一道防线。我们首先使用所有遮掩硬件块,然后在缺少已出版文献的情况下,我们展示了减少面积和悬浮顶顶部的优化。我们量化了从5.4美元开始的顶端顶端安全顶部位到正向前端安全记录。

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